Efecto director de estructura de moléculas quirales derivadas de (1R,2S)-efedrina en la síntesis de aluminofosfatos microporosos
- Autores: María Beatriz Bernardo Maestro
- Directores de la Tesis: Luis Gómez-Hortigüela Sainz (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Número de páginas: 290
- Tribunal Calificador de la Tesis: Vicente Fernández Herrero (presid.), Luisa María Gómez Sainero (secret.), Raquel García Salas (voc.), Manuel Moliner Marín (voc.), Manuel Sánchez Sánchez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Aplicada por la Universidad Autónoma de Madrid
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio sistemático del efecto director de estructura de moléculas orgánicas quirales durante la síntesis de aluminofosfatos microporosos cristalinos, en un intento por transferir su quiralidad a la red inorgánica a través de la distribución espacial de los dopantes y desarrollar así nuevos materiales zeolíticos quirales con capacidad potencial de discriminación enantioselectiva. Para desarrollar este nuevo tipo de quiralidad, se requieren moléculas orgánicas que generen ordenamientos supramoleculares quirales a largo alcance que a su vez puedan ser transferidos a la distribución de dopantes. Con este fin, se han seleccionado los alcaloides (1R,2S)-efedrina y (1S,2S)-pseudoefedrina (aminas secundarias) como precursores quirales, a partir de los cuales se han sintetizado varios agentes directores de estructura diferentes, incluyendo las aminas terciarias por metilación de las anteriores ((1R,2S)-metil-efedrina y (1S,2S)-metil-pseudoefedrina), y las sales de amonio cuaternario por doble metilación ((1R,2S)-dimetil-efedrinio y (1S,2S)-dimetil-pseudoefedrinio). La razón de la selección de estos precursores es que, por una parte, poseen dos centros estereogénicos que imponen un fuerte carácter asimétrico; por otro lado, poseen anillos aromáticos así como grupos formadores de enlaces de hidrógeno (OH y NH) que darán lugar a una rica química supramolecular, pudiendo generar ordenamientos supramoleculares quirales. Además, esos grupos polares interaccionarán fuertemente con la carga negativa asociada a la incorporación de los dopantes divalentes por sustitución isomórfica del Al trivalente, facilitando la transferencia del ordenamiento orgánico a la distribución espacial de dopantes.
Estas moléculas quirales se han empleado como agentes directores de estructura para la síntesis de aluminofosfatos microporosos dopados con una gran variedad de centros catalíticos, incluyendo Mg, Zn, Co o Si, y analizando el efecto de diversas variables de síntesis, en particular la concentración de orgánico, el contenido en agua, el contenido de dopante y su naturaleza, así como la temperatura de cristalización. Los materiales obtenidos se han caracterizado por una gran diversidad de técnicas físico-químicas, en particular difracción de rayos X (para determinar la fase cristalina obtenida), análisis termogravimétrico (para determinar el contenido de orgánico), resonancia magnética nuclear (para confirmar la incorporación intacta de las moléculas orgánicas, así como para comprobar la incorporación de los dopantes) y microscopía electrónica (para analizar la morfología cristalina). En particular, debido a la importancia de la química supramolecular para el desarrollo del concepto propuesto en esta tesis, se ha empleado la técnica de fluorescencia de UV-Visible para analizar el estado de agregación de las moléculas en el interior de las estructuras zeolíticas. Por otra parte, se ha puesto a punto una metodología para ensayar la capacidad de adsorción enantioselectiva de estos materiales potencialmente quirales, monitorizando la adsorción por cromatografía líquida de alta resolución quiral.
Los resultados demuestran claramente que estas moléculas derivadas de la efedrina tienen una fuerte tendencia a dirigir la cristalización del aluminofosfato con estructura AFI en presencia de dopantes (MAPO-5). Esta estructura está formada por canales unidireccionales no-interconectados que son accesibles a través de anillos de 12 tetraedros (TO4). El estudio del efecto director de estructura de (1R,2S)-efedrina demostró que la incorporación de estos agentes orgánicos está claramente influenciada por las condiciones de síntesis, en particular la concentración de orgánico, la cantidad de dopante, y la temperatura de cristalización. Así, la incorporación como agregados supramoleculares por interacciones π-π entre los anillos aromáticos se maximiza al aumentar la concentración de orgánico en el gel, al aumentar la temperatura de cristalización, y al disminuir el contenido de dopante. Por otra parte, se observó que el diastereoisómero (1S,2S)-pseudoefedrina presenta una tendencia a formar agregados supramoleculares notablemente inferior a la del isómero (1R,2S), a pesar de su muy similar estructura molecular. Simulaciones moleculares indicaron que el distinto espacio conformacional de ambos isómeros es determinado por la formación de diferentes enlaces de hidrógeno intramolecular como consecuencia de su diferente configuración estereoquímica. A su vez, ese distinto espacio conformacional provoca una menor agregación supramolecular en el caso de (1S,2S)-pseudoefedrina, así como una diferente orientación de los agregados confinados en los canales de la estructura AFI. Para determinar la potencial quiralidad de estos materiales, se estudió su capacidad de adsorción enantioselectiva, aunque los resultados no fueron concluyentes. Por otra parte, la adición de fluoruro en los geles de síntesis permitió la cristalización de hasta cuatro materiales desconocidos, cuya estructura parece ser de tipo laminar, con una bicapa de orgánico entre las láminas inorgánicas. Actualmente se está tratando de resolver su estructura.
La adición de grupos metilo al grupo amino de la efedrina dio lugar también a la cristalización de la estructura AFI, aunque disminuyó notablemente la incorporación de estos derivados como agregados supramoleculares. En este caso, esos grupos metilo adicionales provocan una mayor repulsión estérica, así como la imposibilidad de formar enlaces de hidrógeno entre agregados consecutivos, resultando por tanto en una incorporación mayoritaria como monómeros. En el caso concreto de los derivados de amonio cuaternario, se ha encontrado que poseen una limitada estabilidad hidrotérmica, que curiosamente es notablemente menor en el caso del isómero (1S,2S)-dimetil-pseudoefedrinio. Por otra parte, se observó de nuevo una rica química conformacional en estos derivados de amonio cuaternario, que dio lugar a diferentes conformaciones que han podido ser monitorizadas por RMN de 13C, ya que determinados átomos de C dan lugar a diferentes desplazamientos químicos en función de la conformación que adopten. Así, se ha observado que ambos isómeros, (1R,2S) y (1S,2S), se incorporan como monómeros en los canales de la estructura AFI, aunque en diferentes conformaciones. A su vez, en contraste con el planteamiento inicial de desarrollar estructuras supramoleculares helicoidales del orgánico basadas en unidades diméricas, se ha encontrado que también los monómeros pueden potencialmente dar lugar a configuraciones helicoidales, si bien en el caso de los derivados de amonio cuaternario no representan la configuración más estable.
Así, los resultados presentados en esta tesis doctoral demuestran que la configuración estereoquímica de la molécula empleada como ADE determina su química conformacional, y en consecuencia su efecto director de estructura, así como la agregación supramolecular, y la posibilidad de desarrollar configuraciones helicoidales de centros activos. De hecho, estos resultados abren nuevas líneas de investigación para tratar de desarrollar este concepto de quiralidad en materiales zeolíticos a través de la oclusión de las moléculas ADE como monómeros con empaquetamientos asimétricos, en contraste con lo que originalmente se proponía en este trabajo.
